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地聚合物

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中文名称；地聚合物 外文名称；geopolymer 发现时间；1978年 发现人；J.Davidovits 其他名称；地聚物、地质聚合物、土壤聚合物 化学式；Mn{-(SiO2)zAlO2}n•wH2O 结构单元；硅氧四面体、铝氧四面体 性能；耐酸、快凝、耐高温、可回收 材料类型；新型无机硅铝胶凝材料

地聚合物的概念是在1978年由法国人Davidovits提出的，它是一种由AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，化学式为Mn{-(SiO2)zAlO2}n·wH2O，无定形到半晶态，属于非金属材料。这种材料具有优良的机械性能和耐酸碱、耐火、耐高温的性能，有取代普通波特兰水泥的可能和可利用矿物废物和建筑垃圾作为原料的特点，在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。

发展背景

人们对地聚物学科的研究源自于科学家们对水泥硬化机理研究的成果。20世纪30年代，美国的Purdon   在研究了波特兰水泥(普通硅酸盐水泥)的硬化机理时发现，少量的NaOH在水泥硬化过程中可以起催化剂的作用，使得水泥中的硅、铝化合物比较容易溶解而形成硅酸钠和偏铝酸钠，再进一步与Ca(OH)2，反应形成硅酸钙和铝酸钙矿物，使水泥硬化并且重新生成NaOH再催化下一轮反应，因此他提出了所谓的“碱激活”理论。   前苏联投入了大量的人力、物力对碱激活材料进行了大量的、系统的研究。他们发现除了氢氧化钠以外，碱金属的氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氟化物、硅酸盐和铝硅酸盐等都可以作为反应的激活剂   ，较大程度地丰富了碱激活剂的种类，并于60年代就把这种“新型”胶凝材料应用于建筑工业，同时提出了“碱液反应机理”；到了1972年，法国的Davidovits教授申请了地聚合物历史上的第一篇关于用高岭土通过碱激活反应制备建筑板材的专利。 随后J.Davidovits开始对地聚合物材料的内部结构进行了细致的研究，并于随后几年里申请了大量的专利。他以硅铝比(Si/Al)为依据，将地聚物材料的结构大致分为三类：PS(Si/Al=1)、PSS(Si/Al=2)和PSDS(Si/Al=3)。1987年，宾州大学的Della.M.Roy教授，以水泥为对比，详细阐述了化学碱合陶瓷(碱激活聚铝硅酸盐材料)的优异性能   ，并对其应用前景进行了乐观的预测，进一步提高了各国争相研究地聚合物材料的热情。世界上有许多专门研究机构如法国的“GeopolymerInstitute”和美国的“WaterwaysExperimentStation”等和许多其他科学家们”“在致力于地聚物材料的研究工作，国内外有关地聚物科学的理论和应用研究成果正在快速增长。

反应机理

最为广泛接受的的是法国J.Davidovits提出的解聚和缩聚的理论。他认为地聚物材料的凝结硬化过程就是原材料中硅氧键和铝氧键在碱性催化剂作用下断裂后再重组的反应过程。 J.Davidovits在研究中假设铝硅酸盐地聚合过程是通过一些假设基团逐步发生缩聚过程，这些假设的组成单元进一步缩聚形成三维大分子结构。他将这些低相对分子质量单元（单体、二聚体、三聚体等）称为低聚物。低聚硅铝酸盐指的是单体正硅铝酸盐、二聚体二硅铝酸盐等；类似的，也有低聚硅铝酸盐—硅氧体和低聚硅铝酸盐—二硅氧体。   J.Davidovits提出地聚合物的反应可以如下表述：   （1）铝硅酸盐原料在碱性溶液( NaOH, KOH) 中的溶解。 （2）溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散。 （3）凝胶相M {一(SiO2)z—AlO2}n·wH2O的形成, 导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用;。 （4）凝胶相逐渐排除剩余的水分, 固结硬化成矿物聚合材料块体 。 对于不同原料成分、不同用途的地聚合物材料，其具体反应机理不完全相同，但骨干反应为上述过程。 地聚合物本身是个氧化物网络结构体系，在1000℃一1200℃之间不氧化、不分解；另一方面，密实的氧化物网络体系可以隔绝空气、保护内部物质不被氧化。经复合改性后．材料的抗压、抗拉、抗弯曲强度都是普通水泥基材的10倍以上，同时高温性能好、不燃、隔热、保温（导热系数：0.24~0.38W/m·k）、没有毒性气体释放。所以可以用来替代金属、陶瓷和水泥应用于航天、航空、土木工程、铸造、装饰   等领域。

耐久性优良

地聚合物的优良性能一方面源于其稳定的网络结构，另一方面是因为可以完成避免普通水泥因金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应，没有膨胀(普通硅酸盐水泥混凝土在200天后因碱集料反应而膨胀1.5mm/m，是极大的安全隐患)，因而经受自然破坏的能力很强。J.Davidovits在对罗马古竞技场、希腊古Cister混凝土墙、埃及古金字塔等考察后，发现这些古建筑物材料具有“类沸石”结构，并认为这是那些古建筑能够屹立千年的主要原因。  

功能多样性

硅元素存在稳定的+4价态，因此地聚合物材料中的硅氧四面体显电中性；铝氧四面体中的铝元素是+3价态，但却与四个氧原子结合成键，因此铝氧四面体显电负性，需要吸收体系中的正离子来平衡电荷，总的结果使体系显电中性。铝离子的这一行为以及地聚合物材料本身的结构特点，使得该种材料具备多种功能特性。 固定金属离子 地聚合物的结构是由环状分子链构成的“类晶体”结构。环状分子之间结合形成密闭的空腔(笼状)，可以把金属离子和其他毒性物质分割包围在空腔内；同时骨架中的铝离子也能吸附金属离子；Mallow认为金属离子还参与了地聚合物结构的形成，因此可以更有效地固定体系中的金属离子。J.Davidovits的研究表明，地聚合物基质对Hg、As、Fe、Mn、Ar、Co、Pb的固定率大于或等于90%。另外网络骨架即使是在核辐射作用下，仍比较稳定。利用这一特点，可将其应用于有毒废料处理、核废料处理、催化、吸附等领域。 快凝 地聚反应过程中，溶胶的形成和脱水反应速度比较快，网络骨架比较容易形成，另外微波、加热、干燥对反应都有促进作用。   因此可快速制得高强度制品。应用于机场、道路、桥梁和军事设施的快速修建与修复等。 耐酸 地聚合物网络结构中Si—O和Al—O在室温下较难与酸(HF酸除外)反应，   可以用其制造耐酸材料。经试验对比：把波特兰水泥和地聚合物材料浸渍于硫酸(pH=0)中，结果发现60天后，水泥重量损失63%，而地聚合物仅失重3%。 低污染 地聚反应过程是由铝硅酸之间的脱水反应，这个反应在强碱性条件下是可逆的；另一方面，原料变成产物，除了脱水外没有损失其他的物质。所以，地聚合物废料经粉碎后，应该可以直接当作原料再来制各地聚合物材料，这样就节省了大量的原材料、能源并减少对环境的污染。

参考来源

地聚合物水泥